专利名称：真空管导流循环装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能热利用领域，是一种能在单孔盲肠状玻璃真空管的基础上，建立起高效自然循环换热机制，以提高真空管太阳热水器的光热转换效率和系统产水量，降低高温结垢与炸管机率，实现集储分离，多种方式建筑一体化安装的真空管导流循环装置。
背景技术：
目前在我国大规模生产应用的真空管，可划分为玻璃吸热体真空管和金属吸热体真空管两大类。其中所谓玻璃吸热体真空管又称为全玻璃真空管，或双层玻璃真空管；在国外也被称为悉尼管。此类真空管一般由两根不同直径的玻璃管组成；先将内管一头溶封后，在外层塗镀上选择性吸热层；然后再将管口一端与外管进行环状溶封，末端在配装带消气剂的弹簧支架后抽真空，同时溶封外管而成。按此成熟工艺流程大规模生产出来的全玻璃真空管集热器，今天已经成为中国太阳热水器的主流产品。 全玻璃真空管在内外两管之间用抽真空的办法，较好地解决了集热管与保温管之间对流和传导热损的问题，但却使自身变成了一支不能进行有效对流循环换热的单孔盲管。从真空管发明至今，几十年过去了，全玻璃真空管单孔盲肠状低效换热的困局，以及真空管高温运行，内管结垢，排污困难，遇冷水炸管，水箱存在死水区，系统难以实现集储分离等等难题，从理论到实践一直都没有得到简单而有效的解决。事实上，全玻璃真空管上述一系列缺陷，从问世之初就令人观注。仅为了解决真空管的对流循环换热问题，国内外的太阳能专家就想了很多办法。例如1986年北京市太阳能研究所就着手开发能提高换热效率的热管式真空管。后来又有更多的太阳能专家研究开发出了将玻璃内管改为U型(金属)管式真空管，工质同心进出的金属套管式真空管和三套管真空管(又称管中管)，以及内管两个端头同时打开的直通式真空管等等一系列为改进单孔盲管对流循环换热性能的玻璃真空管，或玻璃-金属真空管。应该说，上述这些改进不同程度地改善了真空管在对流循环换热方面存在的缺陷，提高了真空管对流循环换热的效率，却又引发出了一系列玻璃与金属内管之间因材质、溶点、膨胀系数不兼容，而产生的真空管内、外管密封连接的困难。同时，还派生出加工组装工艺复杂，材料消耗量大，成本大幅度增加，以及密封性和产品可靠性降低等，更多更大的难题。正因为真空管长期存在这一系列跨世纪难题。所以，尽管国外最早开发出了双层玻璃真空管(即悉尼管)，却一直认为它是一种技术上还不够成熟的产品，因而没有进行大规模生产利用。以至全球到目前为止，其产量和用量都只有中国一支独秀。全玻璃真空管被中国人大量使用的唯一理由也许是，这种双层玻璃真空管率先在中国实现产业化海量生产后，虽然效率低下，但这种非建筑一体化的家用热水器只需要真空管、保温水箱和支架三大标准化部件，就能简单而可靠地组合起来使用。而与其他改良型的真空管相比较，这种双层玻璃真空管的生产工艺最为简单成熟，虽然科技含量低，但结构简单，价格低廉，系统紧凑。正好能满足我国社会主义初级阶段点多，量大，面广，低成本的市场需求。那么，这种已被我国太阳能业界生产应用了一、二十年，仅2009年产量就达3. 53亿支，早已海量定型生产的产品，是否还存在进一步完善和改进的余地，或其必要呢？本发明要回答的就是这个问题。发明内容本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种真空管导流循环装置，能从根本上解决单孔盲管状真空管死水闷晒，高温结垢，间隙性吞吐换热的局面。达到大幅度提高真空管太阳热水系统的光热转换效率，降低真空管运行温度，减少辐射热损，以及内管结垢和炸管的机率。消除水箱死水区，提高系统的可得热产量和使用寿命。实现真空管系统集成，解决集储分离，满足多种方式建筑一体化安装的难题。真空管导流循环装置的推广应用，必将促进真空管的技术进步和产品的升级换代，为开发全新一代建筑一体化产品和中国真空管走向世界，扫除了一直未能攻克的技术障碍。推动我国真空管产业踏上新的台阶。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是应用数学、流体力学、传热学的基础理论及方法，以已知的双层玻璃真空管管口直径为控制标准，在玻璃真空管单孔盲管端头处安装一个玻璃真空管导流循环罩，简称为导流罩。导流罩向真空管内管插入一块纵向断面为余切曲线的隔板，并将其隔断为上下两个互不相通的部分。隔板的上方，称为热水出口通道。隔板的下方称为冷水进口通道。余切曲线的拐点落在玻璃真空管的中轴线上。隔板的管外部分，其左、右、后三向侧边构成梯形断面的圆台型罩体。罩体底边与玻璃真空管管 口端头相吻合的部分为环状密封圈。管内、外有机组合体统称为玻璃真空管导流循环罩。在导流罩的外面，套上一个内腔与圆台型导流罩外包边几何尺寸相吻合，并从圆台型导流罩外侧面中部，被密封隔板完全隔断为上、下两个仓室的盒状连接器，称为上、下集管联接盒，简称为集管盒。集管盒的上、下两个仓室与导流罩的冷、热水进出口相对连接，上仓室为热水过渡仓，盒体上方向设有带螺纹管道接口的热水出水口 ；下仓室为’冷水过渡仓，盒体下方向同样设有带螺纹管道接口的冷水进水口。盒体内外、壳之间为绝热保温层。整个导流罩和集管盒均用无毒、防腐、隔热、耐候性良好的材料，按标准化、模块化、系列化的要求成型制造。导流罩和集管盒两大部件，共同构成本发明真空管导流循环装置的核心组件。将导流罩的余切曲线隔板插入到玻璃真空管的内管后，在确保余切曲线隔板两侧与真空管内管壁柔性密封吻合，以及导流罩的环状密封圈与玻璃真空管管口结合部完全重合、密封、对接的前提下，将导流罩与真空管固化牢靠连接。按上述程序安装好导流罩的玻璃真空管，由于已将单孔盲肠状的双层玻璃真空管的管口，用插入的余切曲线隔板进行一分为二的改造，形成冷、热水专用进、出口通道之后，就使该管自动建立起宏观温差自然循环的换热机制。但是，仅安装了导流罩的双层玻璃真空管，只能适用于传统型高位圆卧水箱真空管太阳热水器的技术改造，还不具备实现系统集成，集储分离，横向插入安装使用的必要条件。为了解决这一系列难题，我们还必须在玻璃真空管导流循环罩的外面，再安装上本发明的另一个重要组成部件集管盒。这样，我们就能得到一个全新的，实现了系统集成的基础单元总成部件。这个由真空管加导流罩和集管盒组合而成的基础单元系统，由于自身已经具备了所有集热器的基本特性，即能利用自身的自然循环换热机制，源源不断的采集太阳辐照能，并通过一个冷水进水口和一个热水出水口，与同类型的其他真空管集热器，通过纵向，或横向并列安装，进行并联、串联，或并、串联组合，构成规模大小不等，运行机制不同，产热水量多少有别的太阳能集热器阵列。并通过上、下循环管与水箱构建成集储分离，自然循环、强制循环、定温补水(放水)、直流式多种循环方式的家用或集体共用的新型真空管太阳热水系统。故我们将该单元总成部件命名为玻璃真空管导流循环集热器。具备自然循环换热机制的玻璃真空管导流循环集热器总成部件，实现了真空管自然循环功能的系统集成，有效的提高了系统的光热转换效率，解除了真空管死水闷晒，单口吞吐换热的局面。降低了真空管循环换热的运行温度，减少了辐射热损，以及内管结垢和发生炸管的机率，提高了热水的产量和质量。系统集成的基础单元总成部件玻璃真空管导流循环集热器的出现，奠定了真空管集储分离的基础，并为满足多种方式的建筑一体化安装创造了条件。本发明的优点和有益效果是由于选用无毒、防腐、隔热、抗热老化和耐候性能良好的热塑性新材料、新工艺，按标准化、模块化、系列化要求，设计制造的真空管导流循环装置的导流罩和与之相配套的集管盒，对缺失有序对流循环换热机制的单孔盲管状双层玻璃 真空管，进行集成创新。从而开发出能使双层玻璃真空管在几乎不做任何几何尺寸改变的前提下，就能自动建立起宏观温差循环的换热机制，大幅提高系统的热效率和可得热产量。而且，对双层玻璃真空管太阳热水系列产品久已存在的其他弊端管温高、热损大、易结垢、易炸管、排污难、水箱死水区、难以实现系统集成和集储分离、无法纵向或横向多种形式的建筑一体化安装等等顽疾，也都同时得到根本性的克服和改善。扫除了从双层玻璃真空管问世以来久久未能攻克的技术障碍。真空管导流循环装置的产业化实施，必将促进我国目前年产量达数亿支的，双层玻璃真空管系列产品的技术进步和产品的升级换代，为开发全新一代建筑一体化真空管系列新产品，使中国真空管真正走向世界，推动我国太阳能光热利用产业社会、经济效益踏上新的台阶，作出历史性的贡献。
以下结合附图
和实施例对本发明的内容进一步说明。图I为本发明玻璃真空管导流罩的结构原理图。图2为本发明导流罩、集管盒与双层玻璃真空管系统集成的基础元件玻璃真空管导流循环集热器总成的结构示意图。图3为用本发明玻璃真空管导流循环集热器总成部件横向卧式安装组成的平屋面紧凑型自然循环定温补水真空管热水系统结构示意图。图4为用本发明玻璃真空管导流循环集热器总成部件纵向立式安装组成的阳台壁挂式自然循环真空管热水系统结构示意图。图中1为已知的双层玻璃真空管；2为玻璃真空管的外管；3为玻璃真空管的内管；4为双层玻璃真空管的端头管口 ；5为玻璃真空管导流循环罩-导流罩；6为导流罩的热水出水口通道；7为导流罩的冷水进水口通道；8为导流罩的余切曲线隔板；9为真空管高位圆卧保温循环水箱；10为导流罩圆台型罩体的环状密封圈；11为上、下集管联接盒-集管盒；12为集管盒的冷、热水仓隔板；13为集管盒热水仓的热水出水管；14为集管盒冷水仓的冷水进水管；15为玻璃真空管导流循环集热器；16热水上循环管；17为冷水下循环管；18为(循环)储热水箱；19为循环水箱；20为热水输出总管；21为冷水输入总管'22为(温控)冷水补水阀兼热水放水阀；23冷水渗水阀；24排污、排空抗冻阀。本发明结构不仅限于附图所示。
具体实施方式
以附图I为例在已知的双层玻璃真空管⑴的单孔端头处，将导流罩(5)的余切曲线隔板(8)，插入到双层玻璃真空管内管(3)中；随即将导流罩圆台型罩体的环状密封圈
(10)与玻璃真空管端头管口(4)结合部完全吻合，并粘接密封固定。然后，再将所有按上述相同程序安装固定好导流罩(5)的双层玻璃真空管(I)，全部按附图I的组合结构，斜向插入到已知的真空管高位圆卧保温循环水箱(9)之上，从而完成新型导流循环式真空管太阳热水器的系统组装。将完成系统组装的新型导流循环式真空管太阳热水器内注满水并置于阳光下之 后，在太阳照晒下，系统是这样工作的对双层玻璃真空管(I)而言，在将导流罩(5)的余切曲线隔板(8)纵向插入，并与内管(3)壁和管口(4)吻合密封固定后，双层玻璃真空管内管(3)靠近管口(4)的部分，己被用优选法筛选后，确定其优化隔离长度的余切曲线隔热板
(8)，将内管(3)分隔为两个逐渐向上和逐渐向下收敛的区域，其上半部分变成了热水出口通道￠)，而下半部分则成为冷水进水口通道(7)。与此同时，真空管管口(4)附近原来的冷、热水混沌状态，则由于导流罩(5)罩体的存在而被自然分开。并自动建立起单孔盲管管口区域流场的冷、热水分流进出机制。在太阳光的照射下，真空管内被太阳加热的水随温度升高，密度变小，比重变轻而产生的上浮力，沿内管(3)上表面管璧进入到余切曲线隔板(8)形成的上半部分隔离区。当热水进入到这个被逐渐向上收敛的热水出水专用通道(6)后，根据伯努利定律，在温差压力的作用下，随着管道断面逐渐收敛变小，流速加快，静压减小，动压加大，顺导流罩(5)的热水出水口专用通道(6)，突破水箱冷水压力冲出管口(4)，上浮至圆卧保温水箱(9)的上方。同时推动圆卧保温水箱内的存水，沿水箱内壁作向下的圆周运动。在水箱温差循环动力的持续作用下，当水箱底部的低温水，被迫推到玻璃真空管(I)单孔盲管端头导流罩(5)的下方时，被构成导流罩(5)下方冷水进水口专用通道(7)的余切曲线隔板(8)的下缘截获，并在其阻栏和引导下，通过管口(4)下方冷水进水口专用通道(7)，进入真空管内管(3)。并在高密度冷水自身重力的作用下，沿内管(3)的下管壁下沉至真空管的最底部，同时挤压管内已被太阳初步加热的水沿内管(3)的上管壁不断上浮，进入到余切曲线隔板(8)的上半部分热水出水口专用通道(6)……如此往复，形成双层玻璃真空管(I)与圆卧保温储热循环水箱(9)之间，沿延不断，持续有序的宏观高效自然循环对流换热机制。实现上述自然循环对流换热的原动力，来自太阳源源不断辐射到真空管(I)上的热能，造成真空管与水箱(8)之间出现的温差。也就是说，只要管、箱两者之间有温差存在，这种宏观对流循环换热机制就会自然发生，自动有序地运行。在安装了导流罩(4)之后，由于真空管(I)瞬间可能集收到的太阳辐射能，均会被有序宏观流动的水分子立即交换带走。真空管(I)死水闷晒，高温局部气化，间隙性吞吐换热的非线性局面，将会得到根本性的改变。故内管高温结垢的机率和突遇冷水炸管的现象必然下降。系统的热效率和可得热产量，随温差对流循环机制的建立，而得到大幅度的提高。附图2为本发明的两大核心部件导流罩(5)、集管盒(11)，与已知的双层玻璃真空管(I)，共同构成本发明不可或缺的基础总成组件玻璃真空管导流循环集热器(15)的结构示意图。导流罩(5)虽然能很好地解决现有高位圆卧水箱真空管系统的温差循环问题。但是，还不能完全解决卧式横向安装真空管的高效循环换热，以及真空管的集储分离问题。事实上，只要我们在玻璃真空管(I)与导流罩(5)组合体的基础上，再从外面套上一个集管盒
(11)之后，情况就能得到根本性的改变。一支具备独立温差循环换热功能，实现了简单系统集成的总成部件玻璃真空管导流循环集热器(15)，将因此而成型。每一支玻璃真空管导流循环集热器(15)，通过集管盒(11)上的预留接口，彼此之间就可以通过管道并联，或串联组合成更大的太阳能真空管集热阵列，以实现横向，或纵向的建筑一体化安装。并构成自然循环、定温放水(补水)、强制循环、集储分离、建筑一体化组合安装的各类太阳热水系统。至于系统的保温(循环)储热水箱(18)，将根据建筑承重结构的约束条件，在集 储分离的前提下，进行隐蔽(低位)安装。附图3为用本发明玻璃真空管导流循环集热器(15)总成部件，横向卧式安装而组成的平屋面紧凑型自然循环定温补水真空管热水系统结构示意图。水箱适当处理后，也能作为阳台型横向安装在阳台护栏上。附图4为用本发明玻璃真空管导流循环集热器(15)总成部件，立式安装在阳台护栏上，形成阳台壁挂式自然循环真空管热水系统结。本发明真空管导流循环装置的两个核心组件导流罩(5)、集管盒(11)的产业化生产和推广应用，必将对我国真空管的技术进步，产生革命性的影响。为我国高效真空管系列产品进入回归带低纬度国家市场，奠定了不可或缺的技术基础；也为我国新能源产业和低碳经济的发展做出历史性的贡献。
权利要求1.一种真空管导流循环装置，由单孔盲管状双层玻璃真空管(I)、导流罩(5)、集管盒(11)组合而成，其特征在于导流罩(5)安装在双层玻璃真空管(I)的单孔盲管端头上，集管盒(11)套装在导流罩(5)的外面。
2.如权利要求I所述的真空管导流循环装置，其特征在于导流罩(5)插入管内部分为余切曲线隔板(8)，隔板管外 左、右、后三向侧边为圆台型罩体，罩体底边为环状密封圈(10)。
3.如权利要求I所述的真空管导流循环装置，其特征在于集管盒(11)的中部被密封隔板(12)隔断为上、下两个仓室，上仓室在盒体上方向设有热水出水口(13)，下仓室在盒体下方向设有冷水进水口(I4)，盒体内、外壳之间为绝热保温层。
4.如权利要求I所述的真空管导流循环装置，其特征在于在双层玻璃真空管(I)与导流罩(5)和集管盒(11)串联后，构成玻璃真空管导流循环集热器(15)。
专利摘要一种真空管导流循环装置，能从根本上解决单孔盲管状真空管死水闷晒，高温结垢，间隙性吞吐换热的局面。达到大幅度提高真空管太阳热水系统的光热转换效率，降低真空管运行温度，减少辐射热损，以及内管结垢和炸管的几率。消除水箱死水区，提高系统的可得热产量和使用寿命。实现真空管系统集成，解决集储分离，满足多种方式建筑一体化安装的难题。真空管导流循环装置的推广应用，必将促进真空管的技术进步和产品的升级换代，为开发全新一代建筑一体化产品和中国真空管走向世界，扫除了一直未能攻克的技术障碍，推动我国真空管产业踏上新的台阶。
文档编号F24J2/46GK202562097SQ20112019172
公开日2012年11月28日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者涂济民, 柯琳 申请人:涂济民, 柯琳